Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эволюционная генетика. Ч.2. Учебно-методическое пособие
.pdf
трального аппарата: изменяется структура хромоцентра (от локального до диффузного) вплоть до визуального исчезновения последнего; появляется (или исчезает) прикрепление центромерных, теломерных и других хромосомных локусов к ядерной оболочке. Осо-
бенностью системных мутаций является также то, что:
1) они четко выявляются только в клетках генеративной тка-
ни; 2) являются видоспецифичными и
не обнаруживают внутривидового полиморфизма; 3) проявляют «гетерозиготность»
только у межвидовых гибридов, геномы которых отражают
различия в архитектонике хромосом «отцовского» и «материнского» видов.
В общем можно отметить, что хромоцентральный аппарат –
чрезвычайно динамичная структура. Его модификации (от локального диффузного) имеют большое значение в формировании видоспецифичности взаиморасположения хромосом на ос-
хромосомно-мембранных связей.
нове
Возникновение системных мутаций. Обнаруженный принцип
видоспецифичной реорганизации архитектуры интерфазных хромосом герминативной ткани рассматривается нами как явление
мутационного ранга, не имеющего аналогов среди известных типов хромосомных мутаций. Такую перестройку структуры интерфазных ядер герминативной ткани можно оценить как новый тип
мутаций, названных системными мутациями (Стегний, 1979,
1993).
Чтобы проще было понять принцип возникновения и распространения системных мутаций необходимо уяснить понятия
«гетерозиготности» и «гомозиготности» по системным мутациям.
Все особи одного вида всегда «гомозиготны» по системным мутациям и «гетерозиготы» по системным мутациям возникают у гибридов F1 при скрещивании с особями другого близкого вида.
Наглядно это видно из
работы по экспериментальной гибридизации двух гомосеквентных видов малярийных комаров Anopheles
melanoon (subalpinus) и A. maculipennis. «Гомозиготы» – плотно
сконъюгированные хромосомы особи каждого вида. «Гетерозиго-
11
ты» – частично сконъюгированные хромосомы межвидового гибрида F1 от скрещивания A. maculipennis и A. melanoon
(subalpinus), причем четко видно, что места прикрепления хромосомы 3 у гомеологов разных видов сильно рассредоточены в пространстве ядра. Системные мутации возникают вероятнее всего в
период мейотического редукционного деления в процессах оогенеза и сперматогенеза. Если перестройка архитектуры хромосом
происходит
в ооците развивающейся яйцеклетки, то гаплоидный
ооцит несет эту системную мутацию. В то же время питающие
клетки (трофоциты), сестринские с ооцитом диплоидны и сохраняют обычную для вида архитектуру хромосом.
После оплодотворения ооцита, несущего системную мутацию
спермием самца своего вида (без системной мутации) геном яйцеклетки имеет «гетерозиготную» архитектуру хромосом
и все клетки,
начиная с первых бластогенных делений дробления несут эти «гибридные» геномы как в соматических, так и в половых клетках (герминативных). Хотя ооплазма имеет «гомозиготный» тип по системной мутации, первые деления дробления идут по материнскому типу,
когда реализуется информация ооплазмы. Геном ооцита включается
позже в эмбриогенезе и
тогда происходит полная «гетерозиготизация» развивающегося зародыша вплоть до взрослого организма. Если
развивается самка, то её оогонии представлены «гетерозиготами» по
системной мутации. Если самец, то у него сперматогонии также
имеют также «гетерозиготные» геномы по системной мутации. В
случае если системная мутация возникает в процессе сперматогенеза
у самца, то у сперматоцитов II
порядка она появляется как уникальная, но при образовании сперматид репродуцируется в 2–4 или более
число раз. Тогда уже ряд сперматозоидов с системной мутацией,
«внедряют» их в ооциты самки и возникает кластер яйцеклеток, становящихся «гетерозиготами» по системной мутации, которые развиваются до взрослых особей. В этом случае значительно увеличивает-
вероятность закрепления системной мутации по сравнению с уни-
ся
кальной системной мутацией, возникшей в мейозе одного ооцита у
12
одной самки. И самки и самцы поколения F1 представляют из се-
бя «гетерозиготы» по системной мутации и важным моментом
является наличие у них «адаптивного синдрома» доминантного
типа, т.е. хорошая преадаптация к средовым условиям экологической периферии родительского вида (Стегний, 1993). Особи «ро-
дительского» вида в условиях экологической периферии обладают
низкими адаптивными характеристиками
и уступают в приспособленности новым формам. «Гетерозиготы» по системной мутации
скрещиваются друг с другом и с особями «гомозиготного» родительского типа и их численность возрастает. Появляются «гомозиготы»
по системной мутации, представляющие уже новый вновь возникший
вид, для которого данные экологические условия являются оптимальными и он быстро распространяется. Возникший
новый вид является гомозиготным по всем полиморфным генным локусам и хромосомным инверсиям, так как все мутации по генам и хромосомным
перестройкам, возникших параллельно с возникновением системной
мутацией (или ранее) быстро фиксируются у «гомозигот» по системной мутации и стадия полиморфизма характерная для «гетерозигот»
заканчивается с переходом «гетерозигот» в «гомозиготное
» состояние. Этот переходный полиморфизм длится очень короткий период –
несколько поколений (пока существуют «гетерозиготы» по системной мутации). Таким образом системная мутация как бы «вынуждают» генные и хромосомные мутации зафиксироваться у нового вида,
который изначально является облигатно мономорфным и новые полиморфизмы и по генам и по хромосомам уже
возникают позднее и
характеризуются как полиморфизмы нового вида. Открытое Ю. Алтуховым и Ю. Рычковым (1972) явление генетического мономорфизма и появление видоспецифичности молекулярных мутаций, как и
известное возникновение видоспецифичных (фиксированных) хромосомных инверсий (Стегний, 1984) находит объяснение в сопряженности этих мутационных событий с системной мутацией. Системная мутация быстро, переходя в
«гомозиготное» состояние, фик-
сирует их, переводя геном из одного мономорфного состояния в дру-
13
гое. Таким образом, переходный полиморфизм по генам и хромосомам длится только короткий период «гетерозиготности» по системной мутации. Гетерохроматиновые модификации (изменения в количестве и локализации гетерохроматина), возникающие параллельно с
системной мутацией также быстро фиксируются и становятся видоспецифичными. Именно гетерохроматиновые видоспецифичные перестройки могут быть причиной возникновения репродуктивной изо
ляции как это выше обсуждалось на примере взаимоотношений
Drosophila melanogaster и D.simulans (Ferree, Barbash, 2009).
Реорганизация архитектуры хромосом в интерфазном ядре возникает не только при системных мутациях, но и при геномных перестройках, так как изменение числа хромосом неизбежно вовлекает
изменения пространственной организации хромосом в ядре. Однако
иногда геномные мутации не приводят к
образованию нового вида,
как, впрочем, и хромосомные реорганизации типа «робертсоновских
вееров», а лишь формируют внутривидовой полиморфизм (Баклушинская, 2005) и только если системные мутации возникает одновременно с геномными и хромосомными перестройками, то образуется новый вид, так как именно изменение фиксированной системы
связей хромосом с ядерной оболочкой инвариантно и видоспецифич-
. Сложность ситуации заключается здесь в преодолении структур-
но
ной дестабилизации хромосом в мейозе. По сути, системные мутации
и облигатно сопряженные с ними гетерохроматиновые модификации
генеративной ткани в функциональном плане переключают видовой
геном из одного инвариантного состояния в другое, формируя по выражению Р. Гольдшмидта «новую реакционную систему». Доминантный эффект позволяет
уже в первых возникающих «гетерозиго-
тах» проявлять все свойства вновь возникающего вида (Стегний,
1993). Переход в «гомозиготное» состояние происходит очень быстро
в течение нескольких поколений, так как «гетерозиготы», имея высокие показатели по жизнеспособности особей (по типу «гетерозиса»),
имеют пониженный репродуктивный потенциал. Возникновение нового вида за счет системной мутации снимает
проблемы, связанные с
-
14
аллопатрическим (наличие территориальной изоляции) и симпатрическим (отсутствие территориальной изоляции) способами видообразования. При симпатрическом видообразовании внутри видового ареала безо всякой территориальной изоляции всегда существуют экологически «напряженные» зоны, которые я называю условия экологи-
ческой периферии. Здесь наблюдаются экстремальные для вида
абиотические условия, среди которых важнейшими являются температурные режимы
. Именно здесь высока роль инбредного размножения, которое и приводит к дестабилизации видовых геномов, что может быть связано либо с образованием нового вида, либо с образованием адаптивного генетического полиморфизма. Причем, это зависит
от генетической конституции конкретного вида (эволюционно лабильный или консервативный). Признаки малой специализированности эволюционно лабильных
видовых геномов (концентрация гетерохроматина в микрохромосомах, половых хромосомах, центромерных участках хромосом) при каждом шаге видообразования постепенно замещаются в процессе прогрессирующей специализации на
признаки эволюционно консервативные («диспергирование» гетерохроматина по хромосомам). Первые – генерируют кластеры дочерних
видов, вторые – создают видовую систему генетической адаптации
(полиморфизма) и обычно терминируют филетические цепи.
Следует подчеркнуть, что моя трактовка системных мутаций
принципиально отличается от взглядов Р. Гольдшмидта, который
считал основой системных мутаций изменение «внутрихромосомного паттерна», возникающее в результате перестроек (транслокаций, инверсий, гетерохроматиновых модификаций) (Goldschmidt,
1940). Я же рассматриваю системные мутации как изменение
межхромосомных отношений, связанные с событиями прикрепления хромосом к ядерной оболочке или
открепления хромосом от ядерной оболочки и перестройкой структуры хромоцентрального аппарата интерфазного ядра в клетках герминативной ткани.
15
6.3. Значение архитектоники хромосом
как формы эпигенетического контроля
онто- и филогенеза эукариот
В настоящем разделе рассматриваются проблемы значимости
пространственной организации хромосом в генеративной ткани
как позиционной системы, детерминирующей процессы оогенетической сегрегации. Развивается представление о существовании
видового морфогенетического поля на основе архитектоники хромосом, регулирующего оогенетическую сегрегацию и дальнейшие
этапы онтогенеза.
Анализ достижений современной генетики и биологии развития
эукариот показывает, что прогрессивное эволюционное
преобразование онто- и филогенеза осуществляется не за счёт изменений
генного состава организма, а связано с дифференциальной экспрессией генов (Корочкин, 2002). Широчайшие спектры экспрессии множества генов, жёстко скоординированных по месту и времени в онтогенезе, предполагают наличие четкой «программы развития», носящей видоспецифичный характер (Доувер и др., 1986).
Тканеспецифичная экспрессия
генов обеспечивается внутри – и
межхромосомным взаимодействием различных доменов, формирующих хромосомные территории (Жимулёв, 2003). При этом
важнейшим обстоятельством эпигенетического контроля являются
позиционные отношения хромосом между собой и с ядерной оболочкой (Гвоздев, 2001).
Существующие современные гипотезы, объясняющие реализацию «программы развития» сводятся в конечном счёте к трём основным историческим моделям: «диминуционный» механизм
А. Вейсмана; «транскрипционный» механизм Т. Моргана; «трансляционный» механизм Р. Гольдшмидта. “Программа развития»
берёт начало не с момента оплодотворения яйцеклетки, а, как
справедливо отметил ещё Т. Морган, с момента начала созревания
16
ооцита. Именно в этот период начинается то, что в современной
биологии называется оогенетической сегрегацией, когда в ооплазме формируется упорядоченное распределение продуктов деятельности генома ооцита (или деятельности сестринских с ним
трофоцитов) (Корочкин, 2002). Становление оогенетической сегрегации – кардинальная проблема биологии развития и от её решения зависит прогресс в понимании механизмов
клеточной дифференцировки и морфогенеза в целом. Очевидно, реализация позиционной упорядоченности разнообразных клеточных типов дефинитивного организма и является главной стратегической линией
онтогенеза. В эволюционном плане важнейшим атрибутом онтогенеза является его видоспецифичность. Я сознательно концентрирую внимание на значении трёхмерной организации хромосом половых клеток в реализации «программы
развития» и не обсуждаю другие известные гипотезы, несомненно заслуживающие внимания,
имеющие, многочисленные подтверждения в онтогенетической регуляции генной экспрессии (Доувер и др., 1986), но не отвечающие на
главный вопрос – становление разных уровней позиционной упорядоченности или регионализации (от макромолекулярной – при оогенетической сегрегации до клеточной и тканевой – при морфогенезе).
Попытаемся найти
подходы к объяснению механизмов оогенетической сегрегации с позиции выявленных нами топологических закономерностей в организации геномов трофоцитов. Напомним, что
именно геномы трофоцитов ответственны за развитие ооплазмы у
организмов с алиментарным типом оогенеза, к которому относятся
малярийный комар и дрозофила.
Перестройка архитектуры хромосомного аппарата в гер-
минативной ткани. Как выше
было отмечено, перестройка архитектуры хромосомного аппарата или системные мутации были
обнаружены только в питающих клетках (трофоцитах) яичников
самок комаров и дрозофилы. Изучение соматических тканей с политенными хромосомами (слюнные железы, мальпигиевы сосуды)
не выявило каких-либо очевидных различий в пространственной
17
организации хромосом между видами. Для всех изученных видов
малярийных комаров в соматических тканях существует универсальная организация хромосом: они объединены центромерными
районами в единый хромоцентральный узел по принципу эктопической конъюгации. Для дрозофилы также характерна однотипная
система организации политенных хромосом слюнных желёз, хотя
и хромоцентральное объединение центромерных участков представляет более
диффузное хроматиновое «облако», чем у комаров.
Интересно, что у межвидовых гибридов F1 у малярийных комаров
в клетках слюнных желёз хромоцентр остаётся общим для гомеологов «отцовского» и «материнского» видов при отсутствии
конъюгации между гомеологичными хромосомами (частичном – у
аутосом и полном – у половых хромосом).
Таким образом, учитывая происхождение питающих клеток, си-
стемные
мутации относятся непосредственно к герминативной «сфере». Действительно, исследования, проводимые уже более 80 лет (Э.
Вильсон, Х. Равен), убедительно и однозначно свидетельствуют, что
трофоциты у организмов с нутриментарным (алиментарным) типом
оогенеза являются сестринскими с собственно ооцитом. В герминативной ткани самок первичные оогонии делятся несколько раз (у малярийных комаров – 3 раза,
у дрозофилы – 4 раза). В результате возникает 8 клеток у комаров и 16 у дрозофилы. Центральная по суперпозиции клетка становится ооцитом, остальные (7 – у комаров и 15 –
у дрозофилы) – питающими (трофоцитами). Р. Кинг (King, 1970) показал, что ооцит связан со всеми остальными сестринскими клетками
(трофоцитами) цитоплазматическими мостиками. Впоследствие ооцит претерпевает мейотические преобразования, а
питающие клетки
остаются диплоидными. В начале периода созревания фолликула
хромосомы трофоцитов интенсивно политенизируются и с высочайшей активностью синтезируют РНК-продукты, практически полностью обеспечивая рост и развитие ооплазмы и, что очень важно, повидимому, формируют ооплазматическую сегрегацию. Системные
мутации наиболее чётко проявляются в период максимального разви-
18
тия политенных хромосом у малярийных комаров. У дрозофилы в
норме в трофоцитах существуют так называемые первично политенные хромосомы, размеры которых значительно меньше таковых у
комаров и, между тем, системные мутации проявляются достаточно
чётко в плане взаиморасположения этих хромосом и их объединения
в диффузные или локальные хромоцентры и связей с оболочкой
ядер.
Видоспецифичность организации хромосомного аппарата трофоцитов яичников ставит важный вопрос. Имеет ли эта структурная организованность отношение к функции питающих клеток – накоплению
упорядоченной морфогенетической информации и запасных питательных веществ в цитоплазме яйцеклетки? Можно предположить,
что имеет, причём элементы упорядоченности ооплазмы могут формироваться на основе той топологической информации,
которая
свойственная геному каждой из семи питающих клеток ооцита и, в то
же время, – целостной системной информации, которая определяется
взаиморасположением геномов всей группы семи трофоцитов по отношению друг к другу и к ооциту. У организмов с алиментарным
(нутриментарным) типом оогенеза сам ооцит не формирует ооплазму, а лишь в
процессе мейоза гаплоидизируется. Всю морфогенетическую информацию в оопламе накапливают диплоидные трофоциты, обладая очень высокой активностью синтеза РНК-продуктов, и
транслируют их через плазматические канальцы (синцитии) в
ооплазму, где формируется оогенетическая сегрегация (упорядоченная система РНК-продуктов). Сегрегация подчеркивает важность
пространственной организации хромосом трофоцитов и особенно её
видоспецифичность. Трофоциты яичников
имеют общее с ооцитом
происхождение, формируясь из одной оогониальной клетки, которая
делится несколько раз (у Anopheles – 3), образуя соответственно 8
клеток, причем ооцитом становится центральная по расположению
клетка, а остальные 7 клеток – трофоцитами. Ооцит связан плазматическими канальцами с каждым из трофоцитов и эта связь сохраняется
на весь период формирования яйца вплоть до
конечной деградации
трофоцитов. Связь ооцита с каждым из трофоцитов осуществляется
19
цитоплазматическими мостиками (или кольцевыми каналами). Учитывая, что топология хромосом всех трофоцитов вида идентична, мы
пытались ответить на вопрос: существует ли групповая упорядоченность хромосом всех семи трофоцитов по отношению друг к другу и
к ооплазме у малярийных комаров. Изученный в плане групповой
архитектоники геномов трофоцитов малярийный комар Anopheles
messeae, как
и другие виды малярийных комаров, имеет 7 трофоцитов, расположенных на полюсе фолликула, противоположном локализации ядра ооцита. При этом трофоциты образуют сферообразную
систему – выпуклую по отношению к ооплазме. Наличие жёстких
связей центромерного района хромосомы 3R с ядерной оболочкой
облегчало решение задачи, так как эти участки прикрепления были
хорошими маркерами суперпозиции отдельных трофоцитов
по отношению друг к другу и к ооплазме. Х-хромосома у этого вида также
прикреплена жестко латеральным районом 2b/c, но в противофазе с
районом прикрепления хромосомы 3R, что было недавно убедительно подтверждено (рис. 6.2) данными с флюоресцентной окраской
районов прикрепления (Артемов и др., 2011).
Рис. 6.2. Fish анализ пространственной организации локуса 2 b/c хромосомы
XL и групповой упорядоченности хромосом трофоцитов
20
у малярийного комара An. messeae
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]